Солнечный водонагреватель

Солнечный водонагреватель
Первооткрыватель или изобретатель	Орас Бенедикт де Соссюр
Дата открытия (изобретения)	1767
Продукция	перегретая вода[вд]
Медиафайлы на Викискладе

Солнечный водонагреватель — разновидность солнечного коллектора. Предназначен для производства горячей воды путём поглощения солнечного излучения, преобразования его в тепло, аккумуляции и передачи потребителю.

Первый солнечный водонагреватель был создан в 1767 году швейцарским ботаником Орасом Бенедиктом де Соссюром и по своей мощности он позволял приготовить суп.

Современный тип водонагревателей был создан в 1953 году в Израиле инженером Леви Иссаром и усовершенствован доктором Цви Тавором в 1955 году, за что получил спустя 3 года премию в 1000 израильских лир от премьер-министра страны, Давида Бен-Гуриона^[1].

В СССР первые экспериментальные солнечные водонагреватели были введены в эксплуатацию в пионерском лагере "Звёздочка" в Московской области, в гостинице "Спортивная" в Симферополе и в селе Болгарка Одесской области^[2].

Солнечный водонагреватель с вакуумным коллектором, наиболее эффективный, хотя и самый дорогой, состоит из двух основных элементов:

• наружного блока — солнечных вакуумных коллекторов;
• внутреннего блока — резервуара-теплообменника.

Наружный блок состоит из вакуумных трубок, с нанесенным с внутренней стороны селективным покрытием в несколько слоев и отражающего слоя. Данное покрытие имеет самое важное значение в работе солнечных коллекторов. Эффективность селективного покрытия измеряется коэффициентом поглощения (α) солнечной энергии, относительной излучающей способностью (ε) длинноволновой тепловой радиации и отношением поглощательной способности к излучательной (α/ε). Основные виды селективных покрытий, используемых для вакуумных коллекторов: Al-N-Al, Al-N/SS/CU

Солнечный вакуумный коллектор обеспечивает сбор солнечного излучения в любую погоду, ослабляя зависимость от внешней температуры. Коэффициент поглощения энергии коллекторов достигает 98 %, но из-за потерь, связанных с отражением света стеклянными трубками и их неполной светопроницаемостью, он ниже.

КПД солнечных коллекторов в первом приближении может быть рассчитан по следующей формуле:

${\displaystyle \eta ={\eta }_{0}-{\frac {k\cdot \Delta T}{E}}}$,

где ${\displaystyle \eta }$ — расчётное значение КПД, ${\displaystyle {\eta }_{0}}$ — номинальный (оптический) КПД установки при нормальных условиях, ${\displaystyle {k}_{1}}$ — коэффициент, зависящий от типа и теплоизоляции коллектора, ${\displaystyle \Delta T}$ — разность температур теплоносителя и окружающего воздуха(гр. С), E — инсоляция (Вт/кв.м.).

Данные для некоторых типов коллекторов приведены ниже.

Тип коллектора	Номинальный КПД ${\displaystyle {\eta }_{0}}$	Коэффициент ${\displaystyle {k}_{1}}$
Плоский солнечный коллектор	72-75	3-5
Вакуумный солнечный коллектор с тепловыми трубками	60-65	0,7-1,1
Пластиковый солнечный коллектор	50-60	до 80

Солнечные коллекторы преобразуют прямые и рассеянные солнечные лучи в тепло. Инфракрасное излучение, которое проходит сквозь облака, также поглощается и преобразуется в тепло.

Резервуар-теплообменник представляет собой систему преобразования, поддержания и сохранения тепла, полученного от энергии солнца, а также и от других источников энергии (например, традиционный отопитель, работающий на электричестве, газе или дизтопливе), которые страхуют систему при недостаточном количестве солнечной энергии. Нагретая вода поступает из теплообменника внутреннего блока в радиаторы системы отопления, а вода из резервуара используется для горячего водоснабжения.

Подогреватель газовый или электрический должен ставиться не параллельно солнечному нагревателю (в этом случае он будет греть холодную воду), а обязательно последовательно, после солнечного нагревателя. Тогда его вклад в нагрев будет минимальным, поскольку он будет только догревать воду, уже нагретую солнцем.

Солнечные водонагреватели могут быть активного или пассивного типов. Активная система использует электрический насос для циркуляции жидкости через коллектор; пассивная система не имеет насоса и полагается только на естественную циркуляцию. Есть экспериментальные образцы, где перекачка теплоносителя производится стирлинг-насосом, получающим энергию от солнца.

Пассивные (Термосифонные) системы перемещают готовую воду или теплоноситель через систему за счёт естественной гравитации, возникающей при разности плотностей нагретого и охлажденного теплоносителя. Пассивные системы с конвекцией дешевле, чем активные системы, но и менее эффективны из-за медленной циркуляции в системе. Системы с тепловыми трубами более дорогие, чем конвективные, но имеют меньшие эксплуатационные затраты. Кроме того, системы с тепловыми трубами позволяют перекачивать тепло вниз, то есть против сил конвекции. Характеристики сильно зависят от конкретного типа труб.

• 
  Пример системы с пассивной циркуляцией теплоносителя (двухконтурная).
• 
  Безнапорная система с пассивной циркуляцией теплоносителя.
• 
  Пример системы с активной циркуляцией теплоносителя (с системой догрева от котла на традиционном топливе).

Активные системы используют электрические насосы, клапаны и контроллеры для циркуляции теплоносителя через коллектор. Они обычно более дорогие, чем пассивные системы, но и более эффективны.

Активные системы с открытым контуром

Активные системы с открытым контуром используют насосы для циркуляции воды через коллекторы. Активные системы с открытым контуром являются популярными в регионах с положительными температурами или при сезонном использовании. Могут эксплуатироваться при температурах воздуха до −20 °C или −25 °C.

Активные системы с закрытым контуром

В этих системах теплоносителем коллектора является обычно водно-гликолиевый антифриз. Теплообменники передают высокую температуру от теплоносителя первого контура воде, которая запасена в баках (теплоаккумуляторах). Системы с закрытым контуром популярны в областях, подвергающихся продолжительно действующим отрицательными температурам, так как они имеют хорошую защиту от замораживания. В связи с высокими значениями температуры при застое теплоносителя в периоды максимальной облученности не все антифризы пригодны для использования в солнечных системах.

Благодаря своей надежности и долговечности наибольшую популярность получили солнечные плоские коллекторы. В солнцеизбыточных регионах (Турция, южные районы КНР, Саудовская Аравия и т. д.) в качестве абсорбера в таких коллекторах используется пластина из алюминия или стали. Значения КПД коллекторов с такой конструкцией невелики, что компенсируется высокими (избыточными) величинами солнечной облученности поверхности в этих регионах. В конструкции современных плоских солнечных коллекторов используются антибликовое стекло с пониженным содержанием железа, селективное покрытие абсорбера из меди, увеличенная толщина теплоизоляции (минимум 50 мм).

Для величин солнечной облученности (инсоляции) даже южных регионов России требуются коллекторы с пластиной из меди со специальным высокоэффективным селективным покрытием. Благодаря высокой теплопроводности меди теплопередача энергии теплоносителю и общий КПД плоского медного солнечного коллектора значительно выше.

За счет использования тепловых трубок в конструкции вакуумных коллекторов достигается больший КПД при работе в условиях низких температур и слабой освещенности. В то же время использование дополнительного теплового контура приводит к неизбежным потерям, связанным с передачей тепла между средами, поэтому при температурах выше +15 градусов эффективность вакуумных коллекторов практически совпадает, а иногда и ниже, чем у плоских коллекторов. Двухтрубная конструкция вакуумного солнечного коллектора лишена данного недостатка. За счет качественных многослойных высокоселективных покрытий и вакуумирования современный солнечный коллектор способен улавливать солнечную энергию в очень широком спектре излучения (значительно шире видимого спектра).

Существует несколько основных типов вакуумных солнечных коллекторов:

• 1. Колба в колбе.
• 2. Колба в колбе с тепловой трубкой.
• 3. Колба в колбе с U образной трубкой.
• 4. Вакуумированная колба.

В коллекторах первого типа нагрев теплоносителя происходит при контакте с селективным покрытием стеклянной колбы. В качестве теплоносителя может выступать как вода, так и антифриз (или его смесь с водой). Такие системы работают при отсутствии избыточного давления со стороны теплоносителя, так как не могут быть эффективно гидроизолированы. Чаще всего это системы с пассивной циркуляцией теплоносителя.

В коллекторах с использованием колб второго типа применяются медные тепловые трубки. Передача тепла с абсорбера к трубке осуществляется с помощью ребер. Тепловая трубка передает тепло в конденсатор тепловой трубки, который присоединен к коллектору, в котором происходит циркуляция теплоносителя.

В коллекторах с использованием колб третьего типа применяются медные тепловые трубки в форме U. Передача тепла с абсорбера к трубке осуществляется с помощью алюминиевых ребер. По тепловым трубкам протекает непосредственно теплоноситель.

Главным отличием колб четвертого типа является вакуумная теплоизоляция медной тепловой трубки. Если в колбах первого и второго типа вакуумная прослойка находится между стеклянными стенками колб, то в вакуумированных колбах и абсорбер, и тепловая трубка находятся при пониженном давлении воздуха. Кроме того, наличие лишь одного слоя стекла вместо двух увеличивает КПД установки.

• 
  Колба в колбе с тепловой трубкой.
• 
  Устройство вакуумного коллектора.

По устройству теплопередачи между колбой и теплоносителем выделяют следующие основные виды коллекторов:

• 
  Двухтрубная система. Теплоноситель циркулирует внутри колбы. U-образная трубка.
• 
  Однотрубная система. Конденсатор тепловой трубки вставляется в трубу коллектора.
• 
  Двухтрубная система. Конденсатор тепловой трубки вставляется между трубками коллектора.

Наиболее простым решением для солнечного теплоснабжения являются пластиковые солнечные коллекторы. Изготавливаются путём штамповки из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП). Такие коллекторы, как правило, не имеют дополнительной теплоизоляции и применяются для нагрева воды в летний период. Производительность пластиковых коллекторов достаточно сильно зависит от скорости ветра. Низкое гидравлическое сопротивление позволяет подключать контур коллекторов данного типа напрямую в систему циркуляции воды.

Солнечные водонагреватели устанавливаются на крыше зданий под углом к горизонту, равным географической широте местности. Угол наклона при установке зависит от угла падения солнечных лучей, к которым поверхность должна быть перпендикулярна. Оптимальный угол наклона зимой составляет 60°, летом — 30°. На практике советуют выбирать 45°. Вторым параметром является азимут, который не должен отклоняться от 0° (южное направление). Это не всегда возможно, поэтому допустимо отклонение от южного направления до 45°.

Кроме того, группы нагревателей устанавливаются на открытых пространствах, например, над парковками для автомобилей, но как можно ближе к потребителю (зданию).

В связи с тем, что солнечный нагреватель невозможно выключить, в периоды максимального солнечного облучения и малого водоразбора температура (температура застоя или stagnation temperature) в нём может достигать, в зависимости от типа, 200 °C (плоские системы) и 300 °C (вакуумные).

Поэтому в качестве трубной обвязки водонагревателей нельзя использовать пластиковые (полимерные) трубы и стальные трубы с цинковым покрытием. Следует применять трубопроводы из меди или нержавеющей стали.

Также необходимо предусмотреть теплоизоляцию первого (горячего) контура трубной обвязки водонагревателей для предупреждения ожогов и возгораний, причем материал теплоизоляции и крепежа должен соответствовать указанным температурным режимам.

На корпусах коллекторов промышленного изготовления указывается точная температура застоя для данного модельного ряда.

Срок службы коллекторов — не менее 15 лет.

Есть попытки установки коллекторов на стенах домов, почти в вертикальном положении. В этом случае, особенно в высоких широтах, эффективность коллектора выше в зимние месяцы, а в летние — ниже. Есть и другой довод в пользу такой установки: коллектор удобнее обслуживать, на нём меньше собирается пыли, его легче мыть, меньше риск повреждения при граде. К тому же такой коллектор располагается довольно низко относительно бака с нагреваемой водой, скорость конвекции существенно увеличивается и в активной системе нет надобности. Установка коллектора на стену уменьшает теплопотери дома (квартиры), что снижает потребность в энергии для отопления.

Солнечные водонагреватели применяются для домашнего и коммерческого горячего водоснабжения, обеспечения индустриальным теплом, нагрева воды для плавательных бассейнов и т. д.

Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30—90 °C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.

Эксплуатация бытового солнечного водонагревателя позволяет сократить выбросы CO₂ пропорционально количеству сэкономленного топлива. Кроме того, в этом случае сокращается парниковый эффект от выбросов углекислого газа. ^[]

Мировой лидер по производству и применению — Китай. В 2007 году в Китае солнечными водонагревателями пользовались около 40 миллионов семей общей численностью в 150 миллионов человек. К 2009 году суммарные площади установленных солнечных водонагревателей выросли до 140 млн м². Этого достаточно для снабжения горячей водой примерно 60 млн домохозяйств^[3]. К 2020 году 300 миллионов м² помещений в Китае будет оборудовано солнечными водонагревателями.

В 2010 году в Китае солнечные водонагреватели производили около 2800 компаний, из них 1200 компаний производили комплектующие. Общий объём рынка солнечных водонагревателей Китая составил в 2010 году 73,5 млрд юаней (примерно $11,5 млрд). Крупнейшие китайские производители: Sunrain Group, the Linuo Group, Himin Solar и Sangle Solar. Годовые продажи каждой компании из «Большой четвёрки» превышают 2 млрд юаней (примерно $313 млн)^[4].

Также очень широко применяется водонагреватели в Израиле, где примерно 85 % квартир оснащены данным оборудованием^[]. Это обусловлено законом, принятым в 1976 году^[] и обязывающим строить жильё со встроенными солнечными водонагревателями. Исключение составляют^[] высотные дома (более 9 этажей), где площадь крыши недостаточна для размещения солнечных коллекторов, достаточных для всех потребителей здания. Такое широкое применение солнечных водонагревателей экономит около 8 % всей электроэнергии, производимой в стране.

• Пассивный дом
• Солнечный коллектор
• Солнечная печь

• М. Згут. Ловушки для солнца // Наука и жизнь, издательство Правда. 1988 № 6, стр 87-88
• Г. В. Казаков Принципы совершенствования гелиоархитектуры. Свит, 1990